随着大规模集成电路集成密度的不断提高和电子器件特征尺寸的微型化发展,电子器件的冷却问题越来越突出.高性能集成电路芯片每平方厘米的功率在2010年可高达85 W以上.芯片产生的这些热量如果不及时散出,将使芯片的温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性。芯片正常工作的上限温度为85℃,调查研究表明超过这一临界温度10℃可使系统故障率增加50％。可见,芯片的高效散热方式已成为制约芯片新一代产品开发的关键问题之一.芯片的传统冷却方法是空冷,然而风冷技术面对日益猛增的芯片散热量不得不向大体积和超重量发展,噪音也随之增加,且很难继续提高散热能力以满足高性能芯片的冷却要求。开发新的高效散热技术以取代目前的风冷技术已变得非常迫切.信息技术产业正在实验新的冷却技术。目前引人瞩目的电子器件高效散热方式是将芯片直接浸没在惰性不导电液体中进行沸腾相变换热,从而利用汽化潜热可以带走大量的热量。 在硅片表面加工微结构是强化沸腾换热的一个重要措施。本文通过在硅片表面加工亚微米级粗糙度、数微米的双重入口空穴和数十微米的方柱微结构等措施,将其浸没在不导电液体FC-72(常压下沸点为56℃)中进行了池沸腾换热研究。实验结果发现这三种表面与光滑表面相比,均能起到强化沸腾换热作用。对于粗糙表面和双重入口空穴表面来说,在沸腾开始及低热流密度区域,强化效果较明显,但是在高热流密度区域,沸腾性能急剧下降,在临界热流密度时硅片表面温度往往大于芯片正常工作的上限温度85℃.这种强化换热特征与其他研究者所开发的表面微结构(如激光孔、多孔介质面、树枝晶等)的强化换热特征非常类似,都难以满足芯片的高效散热要求。然而对于方柱微结构表面来说,从沸腾开始一直到发生临界热流密度时所得到的沸腾曲线基本上保持垂直不变,临界热流密度得到了大幅度的提高,且临界热流密度时硅片表面温度低于85℃.研究了沸腾介质过冷度从0到45K,方柱边长从10μm到50μm,高度从60μm到200μm范围内的方柱微结构表面的强化沸腾换热,得到了过冷度、方柱尺寸对沸腾换热的影响规律。在沸腾介质过冷度为45K时,高度为200μm,边长为30μm的方柱微结构表面上可获得84 W/cm2的临界热流密度,是同样条件下光滑表面的3.5倍以上.这表明开发的方柱微结构表面是一种很有潜力应用于芯片高效散热的强化换热表面。 为了揭示方柱微结构的高效强化沸腾换热机理,利用高速摄影技术对沸腾现象进行了观测分析。方柱微结构的侧柱面虽然在未沸腾的单相液体中浸没在边界层而不能发挥作用,但在沸腾时被快速激活而急剧增加了有效沸腾换热面积；同时由于脱离前附在方柱顶面的汽泡的泵吸作用增强了液体在方柱间的微对流换热,从而有效促进了方柱微结构的沸腾换热.在下一步的工作中将进行方柱微结构表面在对流沸腾中的强化换热研究,以进一步提高临界热流密度和改善沸腾开始的性能,促进该表面强化沸腾换热技术在电子器件冷却中的实用化。